一种镁锂合金电弧增材制造焊丝及其制备和增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种镁锂合金电弧增材制造焊丝及其制备和增材制造方法，该焊丝包括以下质量百分含量的元素组成：Li 6～14wt.％、Al 1～5wt.％、Zn 1～5wt.％、RE 0.2～3wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质。通过熔炼、挤压及表面处理工艺后可获得的镁锂合金丝材。使用该焊丝的工艺参数为：电流为60A～180A，送丝速度为1000～3000mm/min，焊接速度为100～300mm/s，焊接速度与送丝速度的比为2～15，完成增材制造后，将镁锂合金工件进行固溶热处理。本发明专利技术能够克服传统制造工艺的束缚，实现了晶粒的细化，有利于提高镁锂合金工件的力学性能。使用该工艺方法能够带来结构和材料上的双重减重，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种镁锂合金电弧增材制造焊丝及其制备和增材制造方法


[0001]本专利技术涉及增材制造领域，特别提供一种镁锂合金电弧增材制造焊丝及其制备和增材制造方法。

技术介绍

[0002]镁锂合金是目前世界上最轻的合金结构材料，密度0.95g/cm3～1.65g/cm3，也被称为超轻合金。镁锂合金具有极高的比刚度、比强度和优良的抗震性能以及抗高能粒子穿透能力，另外镁锂合金的密度远远小于航空用材铝锂合金的密度，因此镁锂合金开发出来后，已在汽车、电子产业、医疗器械、兵器工业、核工业、航空、航天等领域广泛应用，成为具有巨大应用潜力的结构材料之一。
[0003]高塑强积镁锂合金很难通过铸造和变形工艺实现，增材制造作为一种新工艺新方法，有望实现铸造和变形难以实现的性能。增材制造技术是一种逐层制造方法，与传统的“减材”制造方法不同，其基于离散
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堆积原理将3D CAD模型切片为2D层，通过逐层堆积从而生成零件。增材制造至少具有以下三个优势：(1)增材制造能够加工复杂几何形状的组件，而这些几何形状使用传统制造工艺很难或不可能实现，从而可以提高组件的工程性能；(2)通过避免与传统制造工艺相关的工具、模具和材料报废，增材制造可以减少零部件制造的工艺流程，能够实现近净成形，提高材料的利用率，同时其快速凝固过程能够细化晶粒，提高性能；(3)通过增材制造技术实现的新颖几何形状还可在组件产品应用中带来性能和环境优势。
[0004]公告号为CN 108356267A的中国专利技术专利公开了一种镁合金增材制造工艺，采用激光将镁合金粉末融化、凝固，之后立即进行低温惰性气体处理。而对于镁锂合金的激光选区熔化工艺(SLM)将存在以下困难：(1)在SLM过程中，由于粉末使合金表面积增大以及Mg、Li元素对氧气的高亲和力，容易形成氧化层。氧化层会降低粉末之间的结合强度，并导致各种冶金缺陷。(2)在大功率激光输入中，Mg、Li元素比其他合金元素(Al，Zn，RE)更容易蒸发。因此，SLM形成工件的成分会有所改变，难以实现特定成分部件的制造。经文献检索发现，电弧增材及镁合金WAAM成形技术发展及应用(《铸造技术》2021；42(06)：pp 521
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526)中记载了进行电弧增材(WAAM)制备镁合金工件时，采用交流电源，焊枪和工件反接，工件为阴极而焊枪为阳极，此时易在工件表面氧化膜处形成阴极斑点，有利于清除金属表面的氧化膜；当焊枪和工件正接，即工件为阳极而焊枪为阴极，此时能够冷却枪头并确保电极发射足够的电子以稳定电弧，从而减少镁合金的氧化，减少加工缺陷。但是，WAAM镁合金主要以AZ系列镁合金为主，无专用于WAAM的镁合金。

技术实现思路

[0005]为突破目前镁锂合金铸造和变形工艺的束缚以及解决激光选区熔化工艺不适合镁锂合金增材制造和电弧增材制造镁合金种类单一等问题，本专利技术的目的在于提供一种镁锂合金电弧增材制造焊丝及其制备和增材制造方法，实现镁锂合金电弧增材制造的过程
中，同时实现对镁锂合金材料晶粒的细化，提高其性能。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术提供了一种镁锂合金电弧增材制造焊丝，所述镁锂合金电弧增材制造焊丝包括以下质量百分含量的各元素：Li 6～14wt.％、Al 1～5wt.％、Zn 1～5wt.％、RE 0.2～3wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质，所述稀土元素为Yb、Gd、Dy、Er、Tb、Ho、Y中一种及以上。所述杂质中Fe、Si、Cu、Ni总含量小于0.02wt％。
[0008]本专利技术提供了一种镁锂合金电弧增材制造焊丝的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0009]S1：按Li 6～14wt.％、Al 1～5wt.％、Zn 1～5wt.％、RE 0.2～3wt.％，余量为Mg的镁锂合金焊丝各化学元素组成比例配置原料进行熔炼和浇铸；
[0010]S2：将S1制得的铸锭加工成圆柱锭并保温；
[0011]S3：将步骤S2制得的圆柱锭进行挤压得到丝材；
[0012]S4：在步骤S3的对丝材进行表面处理，即得所述镁锂合金电弧增材制造焊丝，以备后续增材制造使用。
[0013]优选地，步骤S1中的原料包括纯Mg、纯Li、纯Al、纯Zn、Mg
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RE中间合金，所述熔炼在真空中频感应熔炼炉中进行。
[0014]优选地，步骤S2中保温的温度为270
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280℃，保温时间为2
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3小时。圆柱锭为3小时。圆柱锭为的圆柱锭。
[0015]优选地，步骤S3中挤压是在250
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260℃温度下进行。得到丝材的直径为
[0016]优选地，步骤S3中挤压所用模具提前预热到250
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260℃。并且挤压模具一模九件，即同时挤出九根丝材。
[0017]优选地，步骤S4中表面处理具体为使丝材匀速通过定径机，在较小的减径率条件下，利用机械方式去除丝材表面氧化物，并进一步提高丝材尺寸精度和真圆度。
[0018]镁锂合金晶体点阵结构具有随锂含量转变的特点，锂元素的加入改善了镁合金的塑性，在挤压制丝的过程中，将多个铸锭依次送入挤压机，可以连续均匀地挤出表面质量良好的丝材，丝材的长度取决于铸锭的数量；由于模具一模九件，为了增材制造过程的连续，可以采用焊接工艺将多根丝材连接，从而得到单根丝材。Al能够提高合金的室温强度；Zn可以提高合金的强度、塑性及抗蠕变性能。锌含量大于2.5％时则对合金的防腐性能有负面影响。一般含量控制在2％以下。Y在镁中的固溶度较高，同其他稀土元素一起能提高镁合金高温抗拉性能及蠕变性能，改善腐蚀行为。高温力学性能的改善可归因于固溶强化，对合金枝晶组织的细化和沉淀产物的弥散化。本专利技术在此处提到锂元素的作用主要是因为镁合金具有hcp结构，其用于制备丝材具有一定的难度，而锂元素的加入可使镁合金从hcp向bcc结构转变，从而改变镁合金的塑性，易于制备增材制造所用的丝材。
[0019]本专利技术还提供了一种基于镁锂合金电弧增材制造丝材的增材制造方法，所述增材制造方法包括以下步骤：
[0020]A1：固定镁锂合金基板，安装所述焊丝，处于惰性气体气氛下进行增材制造；
[0021]A2：编写增材制造过程中扫描路径程序，将焊枪移动至距离基板10～15mm高度处，以确保能稳定起弧；镁锂合金丝材经电弧融化沉积在镁锂合金基板上，完成预先设定工件形状的增材制造，得增材制造工件；
[0022]A3：对增材制造工件进行固溶热处理。
[0023]优选地，步骤A1中，丝材与基板之间的角度为30
°‑
45
°
。固定镁锂合金基板具体为：将清洗干净的镁锂合金基板固定在工作平台上；安装焊丝具体为：将增材制造过程中所需的焊丝安装在送丝机构上。惰性气体包括稀有气体、氮气、二氧化碳中的一种或多种，稀有气体如氦、氖、氩、氪、氙、氡，工业常用氩气作为保护气体；而氮气、二氧化碳等惰性气体，由于镁锂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镁锂合金电弧增材制造焊丝，其特征在于，所述镁锂合金电弧增材制造焊丝包括以下质量百分含量的各元素：Li 6～14wt.％、Al 1～5wt.％、Zn 1～5wt.％、RE 0.2～3wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质，所述稀土元素包括Yb、Gd、Dy、Er、Tb、Ho、Y中一种或多种。2.一种如权利要求1所述的镁锂合金电弧增材制造焊丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1：按Li 6～14wt.％、Al 1～5wt.％、Zn 1～5wt.％、RE 0.2～3wt.％，余量为Mg的镁锂合金焊丝各化学元素组成比例配置原料进行熔炼和浇铸；S2：将S1制得的铸锭加工成圆柱锭并保温；S3：将步骤S2制得的圆柱锭进行挤压得到丝材；S4：在步骤S3的对丝材进行表面处理，即得所述镁锂合金电弧增材制造焊丝，以备后续增材制造使用。3.根据权利要求2所述的镁锂合金电弧增材制造焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S1中的原料包括纯Mg、纯Li、纯Al、纯Zn、Mg
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RE中间合金。4.根据权利要求2所述的镁锂合金电弧增材制造焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中挤压模具提前预热到250
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260℃。5.一种镁锂合金电弧增材制造丝材的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括以下步骤：A1、固定镁锂合金基板，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏杰，刘文才，吴国华，童鑫，庞松，肖旅，候正全，戴铮，陈培军，
申请(专利权)人：上海航天精密机械研究所洛阳晟雅镁合金科技有限公司，
类型：发明
国别省市：